Bài giảng chương 2: máy điện

T©B 1 Chương 2: MÁY ĐIỆN Lực điện từ và sức điện động Tích cĩ hướng Định luật Bio-Savart: Định luật Faraday: ( )BlIeF rrr ×= ( )l.Bve rrr ×= Định luật Bio-Savart: B r er v r B r I r F r B r vr er B r I r F r iy y x ix iz z yxz iii rrr ×= 0 T©B 2 ( )BlIeF rrr ×= Định luật Faraday: ( )l.Bve rrr ×= ( )BlIeF rrr ×= ( )l.Bve rrr ×= Động cơ Máy phát . Động cơ B r er vr er vr n B r I r eF r I r eF r B r erv r B r I rF r T©B 3 Động cơ Máy phát . Máy phát T©B 4 I.1. Khái niệm chung về mạch từ I.1.1. Các công thức cơ bản T©B 5 I.1.2. Sơ đồ thay thế của mạch từ Định luật dòng điện toàn phần (hay định luật lưu số Ampère - Maxwell) ∫∫ = Al AdJld.H rrrr (1.1) H: cường độ từ trường (A vòng /m) J: mật độ dòng điện (A/m2) (Tích phân đường cong của cường độ từ trường H r dọc theo một mạch vòng khép kín l bằng tổng đại số cường độ các dòng điện đi xuyên qua bề mặt A bất kỳ được bao bởi vòng kín l.) ™ Đối với mạch từ kín chiều dài l có N dòng điện I chạy qua sinh ra cường độ từ trường đều H (hình vẽ): Khi đó, phương trình ∫∫ = Al AdJld.H rrrr có thể viết thành: N.I = H.l Gọi F = N.I sức từ động Φ = B.S từ thông qua tiết diện S HHB ro rrr μμ=μ= B (T - Tesla) Cảm ứng từ μ [H/m] độ từ thẩm (μ = μr.μo) μo = 4π.10-7 (H/m) hằng số từ hay độ từ thẩm chân không μr () độ từ thẩm tương đối Vật liệu sắc từ: )H(rr μ=μ (phi tuyến và có giá trị từ vài chục đến vài chục ngàn). Có: F = NI = Hl = mRS lBSlB Φ== μμ Với S lR m μ= [1/H]từ trở của mạch từ. φbI S φa φc I R R1 R2 I RR1 R2 T©B 6 Định luật OHM đối với mạch từ: Φ== mRNIF Vật liệu phi từ tính: 1r ≈μ mm RU Φ= [A.vo`ng] được gọi là từ áp. mRNIF Φ== I.1.3. Đặc tính của vật liệu sắc từ ƒ Đường cong B(H) của vật liệu sắc từ khi từ trường ngoài tác động là từ trường xoay chiều (hình 1.8): Vật liệu sắc từ chia làm nhiều vùng con (10-2 ÷ 10-6 cm3) được từ hóa có các momen của các nguyên tử được định hướng song song nhau. Trạng thái bảo hòa: các momen từ của các vùng con đều hướng theo chiều tác động của từ trường ngoài (trạng thái từ hóa giới hạn). ƒ Hiện tượng từ trễ: là hiện tương khi giảm cường độ từ trường ngoài, B giảm chậm hơn khi tăng. Khi cường độ từ trường ngoài bằng 0 thì 0BB r ≠= gọi là từ dư. ƒ Hc là lực kháng từ: cường độ từ trường ngược để B=0. ƒ Hình vẽ chu trình từ trễ. ƒ Khi từ trường ngoài xoay chiều tác động, vật liệu sắc từ bị từ hóa tuần hoàn theo vòng từ trễ, gây nên sự phát nóng H B Br -Hc 1 2 3 4 5 B H 0 Φ N Φ0 I IN Φ Φ Rm Φ H B Br -Hc 1 2 3 4 5 T©B 7 do ma sát nội bộ khi các momen từ đổi chiều. ƒ Diện tích vòng từ trễ càng lớn hay tần số của từ trường ngoài càng cao thì tổn hao càng lớn. I.1.4. Các bài toán của mạch từ I.4. Nam châm vĩnh cửu (NCVC) H, I B, Φ Br –Hc φ3 δ φ4 φ1 φ2 N I δ T©B 8 T©B 9 II. MÁY BIẾN ÁP II.1. Giới thiệu chung về máy biến áp T©B 10 II.1.1. Định nghĩa Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh làm nhiệm vụ truyền tải hoặc phân phối năng lượng. Gồm cuộn dây sơ cấp nối nguồn điện và cuộn dây cảm ứng nối tải là cuộn thứ cấp. Ký hiệu: II.1.2. Các đại lượng định mức MBA một pha: U1đm, U2đm = U20, I1đm, I2đm, Sđm = U2đm.I2đm≈ U1đm.I1đm [VA] MBA bapha: Uđm dây, Iđm dây, Sđm = 3 U2đm.I2đm≈ 3 U1đm.I1đm[VA] II.1.3. Cấu tạo của máy biến áp Lõi: (0,35mm đến 0,5mm) Dây quấn. Vỏ máy: có thể chứa dầu máy biến áp (làm mát và cách điện MBA). II.1.4. Nguyên lý hoạt động của máy biến áp dt dwe 11 φ−= dt dwe 22 φ−= 2 wjE 11 Φω−= && 2 wjE 22 Φω−= && Zt i1 u1 i2 u2 e2 e1 i1 u1 w1 w2 i2 u2 Zt φ i1 u1 w1 w2 i2 u2 Zt φ T©B 11 2 wj E 11 Φω−= 2 wj E 22 Φω−= Hay Φπ−= 11 fw2E Φπ−= 22 fw2E (U1 không đổi ⇒ E1 xem như không đổi ⇒ Φ không đổi Từ thông Φ không đổi cả khi không tải và có tải) Tỷ số biến áp: 2 1 2 1 w w E Ek == Nếu bỏ qua điện trở dây quấn và từ thông tỏa ra ngòai không khí ta có: U1 ≈ E1 và U2 ≈ E2 ⇒ 1 2 2 1 2 1 2 1 I I U U w w E Ek =≈== MÁY BIẾN ÁP BA PHA T©B 12 • Cấu tạo mạch từ: Tổ máy biến áp ba pha Máy biến áp ba pha 3 trụ A X a x B Y b y C Z c z BY CZ czby A X a x T©B 13 • Các cách đấu dây và tỷ số biến áp. P d d d P P P K U UK N N U UK == == 2 1 2 1 2 1 UP1 Ud2Ud1 Y - Δ 11 2 2 3 3pdd p d p UUK K U U = = = Δ−Δ 11 2 2 pd d p d p UUK K U U = = = 11 2 2 1 3 3 pd d p d p UUK K U U = = = Up1 Up1 Ud1 Ud2 Y - Y T©B 14 MÁY BIẾN ÁP ĐẶC BIỆT • Máy tự biến áp (máy biến áp tự ngẫu) I1 I2 Zt U1 U2 W1 W2 dtd PPP IIUIUIUP K I I U U +=→ −+== >== )( 1 1221222 1 2 2 1 • Máy biến điện đo lường. Máy biến điện áp A x U1 U2 A X • Máy biến dòng điện 1 • I 1 • U 12 •• − II 2 • U tZ 2 • I tZ 1 •− I1 • U 2 • U 2 • I 2 • I 1 • I 11 11 )( 2 12 2 1 122 12 <−=−= <== −= = K K I II P P KI I P P IIUP IUP dt d dt d T©B 15 I2 I1 • Máy biến áp hàn điện. − Phương pháp hồ quang. − Chế độ ngắn mạch thứ cấp. V 150 (v)Cao áp A i 5(A) Biến áp Biến dòng Khe hở Que hàn Kim loại cần hàn T©B 16 III. CƠ BẢN VỀ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG ĐIỆN CƠ III.1. Lực điện từ và sức điện động Tích cĩ hướng Định luật Bio-Savart: Định luật Faraday: ( )BlIeF rrr ×= ( )l.Bve rrr ×= B r er v r B r I r F r iy y x ix iz z yxz iii rrr ×= 0 T©B 17 Định luật Bio-Savart: ( )BlIeF rrr ×= Định luật Faraday: ( )l.Bve rrr ×= ( )BlIeF rrr ×= ( )l.Bve rrr ×= Động cơ Máy phát . Động cơ B r vr er B r I r F r B r er vr er vr n B r I r eF r I r eF r B r e rvr B r I rF r T©B 18 Động cơ Máy phát . T©B 19 Máy phát Máy phát Momen và tốc độ Động cơ . T©B 20 IV. MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU IV.1. Tổng quan T©B 21 Nguyên lý hoạt động của máy điện một chiều T©B 22 Động cơ T©B 23 IV.2. Phân tích máy phát một chiều ` P1 Pcơ Ps≈ 0 Pkt Pqp Pdt P2 P E m Ikt E 0 Ikt Rt U Rư Iu It Tải E = kE.Φkt.ω ≈ k.Ikt.ω Rkt Ukt Φkt ω Rt U Rư Iu It TảiE T©B 24 IV.2.1. Máy phát DC kích từ độc lập, NCVC ` IV.2.2. Máy phát DC kích từ song song Ikt Rt U Rư Iu It Tải E = kE.Φkt.ω ≈ k.Ikt.ω Rkt Ukt Φkt ω Tải Ikt Rt U Rư Iu It E = kE.Φkt.ω ≈ k.Ikt.ω Rkt ω It U 0 E Iđm I U 0 E T©B 25 IV.2.3. Máy phát DC kích từ hỗn hợp Kích từ hỗn hợp rẽ ngắn ` Kích từ hỗn hợp rẽ dài IV.3. Phân tích động cơ một chiều Tải Ikt Rt U Rư Iu It E = kE.Φhh.ω Rkt ω Rs Tải Ikt Rt U Rư Iu It E = kE.Φhh.ω Rkt ω Rs Eđm Ikt E 0 Rkt1 > Rkt2 > Rkt3 T©B 26 IV.3.1. Động cơ DC kích từ độc lập, NCVC E = kE.Φkt.ω ≈ k.Ikt.ω hay ktE uu ktE k IRU k E Φ −=Φ=ω 60 n2 )RPM( )s/rad( πω = Câu 1. Một động cơ DC kích từ độc lập, 230V, điện trở phần ứng 0,2Ω, tốc độ khơng tải lý tưởng là 1000 vịng/phút. Ở chế độ định mức dịng điện phần ứng là 40A. Tính tốc độ và momen điện từ của động cơ? Biết từ thơng kích từ khơng đổi và bằng định mức. Câu 2. T = 100Nm. 1500RPM. 300Vdc, I=? P=?, ω PT = ωω uudt dt IEPT == ω out out PT = P1 Pđien P2 Ps≈ 0 Pkt Pđ Pqp Pđt=Pcơ U Rư Iu E Ikt Rkt Ukt ω T©B 27 I, M t 0 ωolt ωo ωđm Iđm, Mđm I0 Ikđ, Mkđ  I, Mđt  0 ωolt ωo ωđm IđmI0 T©B 28 IV.3.2. Động cơ DC kích từ song song IV.3.3. Động cơ DC kích từ nối tiếp U R Iu E Int Rnt U R Iu E Ikt Rkt Ukt=U T©B 29 IV.3.4. Động cơ DC kích từ hỗn hợp IV. Đặc tính động cơ DC U R Iu E Int Rnt Ikt Rkt P1 Pđien P2 Ps≈ 0 Pkt Pđ Pqp Pđt=Pcơ T©B 30 V. ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ V.1 Giới thiệu V.1.1. Cấu tạo Rotor dây quấn Rotor lồng sĩc T©B 31 Stator cực từ ẩn Stator cực từ lồi A B C N A N T©B 32 Rotor dây quấn Rotor lồng sĩc Force Brotating Ir Ring Rotor bar ω T©B 33 V.1.2. Từ trường quay A B C N T©B 34 V.1.3. Nguyên lý làm việc A B C N Force Brotating Ir Ring Rotor bar ω T©B 35 III. Phân bố cơng suất và hiệu suất V. Khởi động động cơ khơng đồng bộ PCus/3sI& 'rI& PCur/3 Phân bố cơng suất trong ĐC KĐB 3 pha Pc/3 PFe/3 mI&FeI&Pin/3 Psr/3 Pthcơ + Pout Pin Psr=Pđt Pout PCur PCus PFe Pthcơ Pc= Pcơ & T©B 36 VI. Đặc tính cơ của động cơ khơng đồng bộ Độ trượt tới hạn: sp ứng với Tmax 0ds dT = , hay 0 dn dT = ( )2'rs2s ' r p XXR Rs ++ = ( )2'rs2ss 2 s s max XXRR U2 31T +++ = ω ( ) ( )2'rs2'rs ' r 2 s s st XXRR RU31T +++= ω s s s s 2 T T p p max + = Rs sI& jXs sU& mI& jXm jX’r 'rI& ' rR ' rRs s1− 0 s1sp Tst Tmax T 0 n nr Tst Tmax T ns np Trate TL A T Rs sI& jXs Rm mI& sU& jXm ' rR jX’r Khởi động: n = 0: s = 1: Is = Ist ' rI& T©B 37 T©B 38 VII. Điều khiển tốc độ động cơ khơng đồng bộ VIII. Các đặc tính vận hành 0 n T nsnp A1 A2 A3 Us giảm 0 n T ns A1 A2 A3 Tmax ' rR tăng? Pout I0 Pout.r cosϕ0 cosϕ Is η n T ns 0